Gran progreso: ¡las ondas de terahercios no están lejos de volverse populares! Las microondas y los rayos infrarrojos ya han entrado en la vida cotidiana

Las ondas de terahercios son cada vez más importantes en la ciencia y la tecnología, ya que permiten a los científicos comprender el rendimiento de los materiales futuros y probar la calidad de los revestimientos de automóviles y las envolturas de las pantallas, pero aún quedan muchos desafíos por resolver. Un equipo de investigación de la Universidad de Dresde-Rosendorf (HZDR), la Universidad Técnica de Dresde y la Universidad de Konstanz ha logrado avances significativos: los investigadores han desarrollado un componente de germanio que puede generar pulsos cortos de terahercios y tiene una característica ventajosa: los pulsos. tienen un espectro extremadamente amplio.

Por lo tanto, se pueden entregar muchas frecuencias diferentes de terahercios simultáneamente. Los hallazgos, publicados en la revista Light: Science and Applications, son posibles porque los componentes ya pueden fabricarse utilizando métodos ya utilizados en el semiconductor. El desarrollo promete amplias aplicaciones en investigación y tecnología. Al igual que la luz, las ondas de terahercios se clasifican como radiación electromagnética, donde se ubican directamente entre la radiación de microondas y la radiación infrarroja en el espectro. Pero si bien las microondas y los infrarrojos han sido parte de nuestra vida diaria durante mucho tiempo, el uso de ondas de terahercios apenas ha comenzado.

La razón es que, desde principios de este siglo, los expertos sólo han podido construir fuentes de ondas de terahercios razonablemente aceptables. Pero estos emisores todavía no son perfectos porque son relativamente grandes y caros, y la radiación que emiten no siempre tiene las propiedades deseadas. Uno de los métodos de producción actualmente establecidos se basa en cristales de arseniuro de galio. Si este cristal semiconductor se irradia con pulsos láser cortos, se forman portadores de arseniuro de galio. Estas cargas se aceleran aplicando un voltaje, lo que fuerza la creación de ondas de terahercios, esencialmente el mismo mecanismo por el cual las cargas que se mueven en el mástil de un transmisor VHF crean ondas de radio.

El físico del HZDR, Dr. Harald Schneider, explica: Sin embargo, este método tiene algunas desventajas: sólo puede funcionar con láseres especiales relativamente caros. Con láseres estándar del tipo utilizado para las comunicaciones de fibra óptica, no funcionaría. Otra desventaja es que los cristales de arseniuro de galio sólo producen pulsos de terahercios de banda relativamente estrecha y, por lo tanto, tienen un rango de frecuencia limitado, lo que limita en gran medida el campo de aplicación.

Utilizando metales preciosos

Por eso, Schneider y el equipo de investigación apuestan por otro material: el semiconductor germanio. Con el germanio se pueden utilizar láseres menos costosos llamados láseres de fibra. Además, los cristales de germanio son muy transparentes y por tanto ayudan a emitir pulsos muy amplios. Sin embargo, hasta ahora se ha encontrado un problema: si se irradia germanio puro con un pulso láser corto, la carga del semiconductor tarda varios microsegundos en desaparecer y sólo entonces el cristal puede absorber el siguiente pulso láser.

Sin embargo, los láseres actuales pueden disparar pulsos a intervalos de decenas de nanosegundos, lo que es una secuencia de disparo demasiado rápida para el germanio. Para superar esta dificultad, los científicos buscaron una manera de hacer que la carga del germanio desapareciera más rápidamente y encontraron la respuesta en el oro, un importante metal precioso. Utilizando un acelerador de iones para inyectar átomos de oro en un cristal de germanio, el oro penetra el cristal hasta una profundidad de 100 nanómetros. A continuación, los científicos calentaron el cristal a 900 grados centígrados durante varias horas. El tratamiento térmico aseguró que los átomos de oro se distribuyeran uniformemente en el cristal de germanio.

El éxito comenzó cuando el equipo irradió germanio picado con pulsos láser ultracortos: en lugar de permanecer en el cristal durante unos microsegundos, los portadores de carga desaparecieron nuevamente en menos de dos nanosegundos, aproximadamente un 10% más rápido que antes. veces más rápido. Metafóricamente hablando, el oro actúa como una trampa, ayudando a capturar y neutralizar las cargas, y ahora los cristales de germanio pueden bombardearse con pulsos láser de alta frecuencia de repetición y seguir funcionando.

Es posible una fabricación barata

Un nuevo método permite pulsos de terahercios con anchos de banda extremadamente amplios: en lugar de 7 terahercios con la tecnología establecida de arseniuro de galio, ahora 10 veces -70 terahercios. La investigación arrojó un espectro amplio, continuo y sin espacios de una sola vez, lo que significa que los científicos tienen a mano un recurso verdaderamente versátil para las aplicaciones más diversas. Otro beneficio es que el germanio se puede procesar de manera eficiente utilizando la misma tecnología que los microchips y, a diferencia del arseniuro de galio, el germanio es compatible con el silicio. Debido a que la nueva pieza puede funcionar con láseres de fibra estándar, podría hacer que la tecnología sea bastante miniaturizada y barata.

Esto debería hacer del germanio dopado con oro una opción interesante no sólo para aplicaciones científicas como el análisis detallado de materiales bidimensionales innovadores como el grafeno, sino también para aplicaciones en medicina y tecnología ambiental. Por ejemplo, se podrían imaginar sensores que rastrean determinados gases en la atmósfera mediante espectroscopía de terahercios. Las fuentes de terahercios actuales todavía son demasiado caras para este fin. El nuevo método desarrollado por Dresden-Rosendorfer podría ayudar a abaratar aún más este tipo de sensores ambientales.

Brocade Research/De: Asociación Helmholtz de Centros de Investigación Alemanes

Revista de referencia "Light: Science and Applications"

DOI: 10.1038/s41377 -020-0265 -4

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